水果品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

⊙ 賀少鵬 邱媛媛 新疆理工學(xué)院

水果品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于水果生產(chǎn)和消費(fèi)的影響都比較大，也是農(nóng)業(yè)工程研究的重點(diǎn)項(xiàng)目之一?，F(xiàn)階段針對(duì)水果的尺寸、形狀、顏色、氣味、硬度、表面紋理等特征開展品質(zhì)檢測(cè)，已經(jīng)開發(fā)出一系列的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用廣泛，作用顯著。在水果品質(zhì)檢測(cè)中，除了外部的品質(zhì)檢測(cè)外，水果內(nèi)部品質(zhì)、成熟度、糖分含量、內(nèi)部缺陷等無(wú)損檢測(cè)的難度更大。隨著相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究水果品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)就很有必要。

一、電子鼻技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

電子鼻最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，最初的定義是由具有部分選擇性的化學(xué)傳感器陣列與相關(guān)模式識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成，借助傳感器部分專一性和系統(tǒng)模式識(shí)別功能，對(duì)復(fù)雜或簡(jiǎn)單氣味進(jìn)行檢測(cè)的電子儀器設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷研發(fā)和創(chuàng)新，電子鼻技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，目前在農(nóng)產(chǎn)品和食品檢測(cè)、有毒氣體檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)等方面都有一定程度的應(yīng)用，其能夠模擬生物嗅覺(jué)，通過(guò)氣敏傳感器和信號(hào)預(yù)處理單元以及識(shí)別單元共同作用，對(duì)氣味進(jìn)行識(shí)別。

在水果品質(zhì)檢測(cè)中，主要是通過(guò)電子鼻對(duì)水果中的可溶性固形物、成熟度、腐爛度等進(jìn)行檢測(cè)。相關(guān)研究表明，這種檢測(cè)方法對(duì)于檢測(cè)水果品質(zhì)具有一定的積極作用，對(duì)于部分品種水果的可溶性固形物、酸度等進(jìn)行檢測(cè)，可以先構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，檢驗(yàn)這種檢測(cè)方法的有效性，并對(duì)比不同模型下檢測(cè)效果的差異。此外，電子鼻還可以對(duì)水果的貨架期進(jìn)行預(yù)測(cè)，而這也是水果品質(zhì)判斷的重要指標(biāo)之一。傅均設(shè)計(jì)出便攜式智能電子鼻系統(tǒng)，對(duì)葡萄的貨架期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，將電子鼻應(yīng)用于評(píng)價(jià)葡萄貨架期切實(shí)可行。

如果水果的品質(zhì)產(chǎn)生變化，其氣味也會(huì)隨之變化，電子鼻能夠?qū)λ臍馕缎盘?hào)進(jìn)行識(shí)別，在評(píng)價(jià)水果品質(zhì)方面具有一定的應(yīng)用成效。這種檢測(cè)方法整體成本低，處理更加便利，切實(shí)高效，能夠較為準(zhǔn)確地識(shí)別水果的品種、成熟度、新鮮度、腐爛度以及貨架期等。但是，將電子鼻技術(shù)應(yīng)用于水果品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)，會(huì)在一定程度上受到環(huán)境的影響，進(jìn)而影響氣敏傳感器的靈敏度，所以最終的檢測(cè)結(jié)果和期望值還存在一定的差距。

二、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

目前，計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)正在不斷發(fā)展進(jìn)步，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)就是其中一個(gè)重要的組成部分。作為一門涵蓋圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)以及人工智能技術(shù)的綜合性學(xué)科，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)借助CCD相機(jī)對(duì)水果的圖像信息進(jìn)行采集，通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)水果的圖像特征進(jìn)行提取，再通過(guò)相關(guān)算法和分析法對(duì)水果的尺寸、形狀、損傷等信息進(jìn)行獲取，最終對(duì)水果品質(zhì)進(jìn)行等級(jí)劃分。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的設(shè)備主要包括相機(jī)、圖像處理軟件、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、光照系統(tǒng)等，能夠同時(shí)開展多項(xiàng)品質(zhì)檢測(cè)，十分直觀、高效，也是一種理想的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

在水果品質(zhì)檢測(cè)中，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能夠?qū)λ娜毕莺筒『M(jìn)行檢測(cè)。相關(guān)學(xué)者在對(duì)甜瓜品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，使用各種圖像預(yù)處理技術(shù)，提取判斷瓜蒂區(qū)，從而提升檢測(cè)精度，再借助算法進(jìn)行區(qū)域分割，構(gòu)建相應(yīng)的模式識(shí)別，最終對(duì)甜瓜缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確率達(dá)到92%以上。此外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還可以用于檢測(cè)水果的品質(zhì)等級(jí)，對(duì)水果進(jìn)行分類，因?yàn)橥ㄟ^(guò)機(jī)器視覺(jué)能夠直觀地看到水果的大小、尺寸、品種、紋理、色澤等信息，從而為水果品質(zhì)判斷提供依據(jù)。

使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以直觀提取水果的顏色、大小、紋理、缺陷等信息，便于對(duì)水果的品質(zhì)進(jìn)行等級(jí)劃分，這對(duì)于節(jié)省人力具有重要作用。不過(guò)，這種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是對(duì)水果的外部狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法對(duì)水果的內(nèi)部損傷以及甜度、腐爛度等進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。

三、近紅外光譜技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

近紅外光譜是一種非可見光譜區(qū)，介于可見光和中紅外光之間。近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)主要是借助物質(zhì)對(duì)光的吸收和反射等作用來(lái)判斷某成分含量，將其應(yīng)用到水果品質(zhì)檢測(cè)中，不但安全、快速，而且高效，能夠同時(shí)對(duì)多種成分開展檢測(cè)。

具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水果內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè)，包括可溶性固形物、總糖、硬度、酸度等檢測(cè)指標(biāo)。Tian等人通過(guò)光譜校正技術(shù)來(lái)檢測(cè)蘋果內(nèi)部的霉變情況，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蘋果肉的消光率會(huì)隨著厚度呈對(duì)數(shù)線性變化，所以按照蘋果光譜可以得出蘋果內(nèi)部消光系數(shù)方程，再對(duì)其中的消光系數(shù)進(jìn)行修正，構(gòu)建相應(yīng)的向量模型，最終修正后的光譜模型精度比較高。此外，近紅外光譜技術(shù)在水果的分選中也有重要的應(yīng)用價(jià)值，不僅檢測(cè)速度更快，還能同時(shí)開展多種指標(biāo)檢測(cè)，確保水果質(zhì)量可靠，提升檢測(cè)分選效率。國(guó)內(nèi)學(xué)者使用梨的近紅外漫反射光譜構(gòu)建可溶性固形物預(yù)測(cè)模型，對(duì)于梨子開展在線檢測(cè)，分選準(zhǔn)確率高達(dá)95%左右。使用該技術(shù)還可進(jìn)行水果糖酸度檢測(cè)，但是因?yàn)橄到y(tǒng)限制因素，檢測(cè)精度并不是很理想，會(huì)對(duì)分選結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，這也正是提升檢測(cè)精度的關(guān)鍵。

近紅外光譜技術(shù)具有快速高效的特征，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)目標(biāo)，在水果品質(zhì)檢測(cè)中具有重要價(jià)值，能夠?qū)λ械目扇苄怨绦挝?、糖分、酸度等?nèi)部品質(zhì)情況進(jìn)行檢測(cè)，但在水果分級(jí)和分類中的應(yīng)用效果并不突出。國(guó)外對(duì)于近紅外光譜技術(shù)的研究比我國(guó)起步早，相關(guān)技術(shù)也更加成熟，所以在利用近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)水果品質(zhì)時(shí)可以借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，引入更先進(jìn)的近紅外光譜技術(shù)，制定相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)技術(shù)短板的不斷完善。

四、核磁共振檢測(cè)技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

核磁共振檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用原理是借助原子核在具體磁場(chǎng)中從低能級(jí)向高能級(jí)躍進(jìn)時(shí)產(chǎn)生共振吸收的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)于原子核的探測(cè)?，F(xiàn)階段核磁共振在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)核磁共振技術(shù)，可以檢測(cè)人體內(nèi)部、顱腦內(nèi)部的情況，為醫(yī)學(xué)治療提供可靠的信息支持；在果蔬產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中，使用核磁共振檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)λ械奶欠帧⑺?、油、淀粉等物質(zhì)情況進(jìn)行檢測(cè)，提供相關(guān)物質(zhì)的自旋密度分布信息，反映自旋和細(xì)胞組織間的關(guān)系信息，并對(duì)水果的基本成本進(jìn)行測(cè)定。

具體來(lái)說(shuō)，就是將待檢測(cè)的水果放在恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度低于0.5T的磁場(chǎng)中，開展低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)。陳森等通過(guò)低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)技術(shù)，對(duì)櫻桃在常溫下的水分變化以及遷移規(guī)律進(jìn)行探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在儲(chǔ)存時(shí)間不斷延長(zhǎng)的情況下，果皮和果肉產(chǎn)生分層，果肉水分也逐漸向內(nèi)部轉(zhuǎn)移。還有相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用核磁共振檢測(cè)技術(shù)，能夠識(shí)別水果中水化流動(dòng)相關(guān)的細(xì)微變化，這種變化是因?yàn)樗浕瘜?dǎo)致的，據(jù)此能夠?qū)λ某墒於冗M(jìn)行識(shí)別。

現(xiàn)階段，核磁共振檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水果品質(zhì)檢測(cè)，更多是對(duì)水果中的水分分布、流動(dòng)性開展研究，其優(yōu)點(diǎn)是分辨率比較高，技術(shù)穿透性較好，檢測(cè)不會(huì)受到樣品的狀態(tài)、大小、形狀等影響。但是相對(duì)而言，這種檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用成本要比其他檢測(cè)技術(shù)高很多，信號(hào)分析的針對(duì)性比較強(qiáng)且具有一定的復(fù)雜性，所以在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用推廣還存在一定難度，只有降低技術(shù)使用成本，進(jìn)一步彌補(bǔ)技術(shù)缺陷，才有可能推動(dòng)核磁共振檢測(cè)技術(shù)的大范圍應(yīng)用。

五、基于電學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

不同的水果對(duì)應(yīng)的成分是完全不一樣的，所以存在不同介電特性參數(shù)。基于這一特征，進(jìn)行水果品質(zhì)檢測(cè)時(shí)必須對(duì)水果的具體電容、電阻、電感等介電特性參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)相關(guān)介電特性參數(shù)差異來(lái)對(duì)水果的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種基于電學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)操作簡(jiǎn)單便利，所以應(yīng)用前景比較好。

研究發(fā)現(xiàn)，腐爛蘋果的相對(duì)介電常數(shù)和等效電容都出現(xiàn)了顯著增加，應(yīng)用基于電學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，能夠較好地區(qū)分蘋果的好壞。有學(xué)者通過(guò)檢測(cè)蘋果電壓和阻抗，對(duì)蘋果是否腐爛以及腐爛程度進(jìn)行判斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電壓會(huì)因?yàn)樘O果腐爛程度增加而提高，這樣就可以有效區(qū)分正常蘋果和腐爛蘋果，還可以判斷蘋果的腐爛程度。此外，借助這種基于電學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，還可以檢測(cè)水果的成熟度，比如隨著水果的成熟度增加，對(duì)應(yīng)的電容以及介電常數(shù)都在不斷增長(zhǎng)，阻抗不斷降低，由此研發(fā)電學(xué)特性檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)香蕉的介電特性在不同成熟度下的變化情況，即可對(duì)香蕉的成熟度和品質(zhì)變化進(jìn)行有效分析。

基于電學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，不但操作便捷，數(shù)據(jù)量也不多，而且檢測(cè)效率也有所提升，在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用前景比較廣闊。不過(guò)，因?yàn)槟壳皩?duì)水果介電特性產(chǎn)生影響的因素非常多，所以不能排除其他因素的影響?；陔妼W(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究目前也主要集中在測(cè)試信號(hào)頻率、溫度和水果含水量等方面，對(duì)其他方面的研究并不多，所以要想推廣應(yīng)用這種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，還需要深化技術(shù)研究工作。

本文介紹了多種水果品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)它們的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了分析，這就需要進(jìn)一步深化技術(shù)研究，促進(jìn)技術(shù)優(yōu)化，降低技術(shù)成本，從而為人們提供品質(zhì)更有保障的水果。